EP3265261A1 - Procédé de brasage pour assembler deux éléments via un composé intermétallique; dispositif comprenant deux éléments assemblés par un composant intermétallique - Google Patents

Procédé de brasage pour assembler deux éléments via un composé intermétallique; dispositif comprenant deux éléments assemblés par un composant intermétallique

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EP3265261A1
EP3265261A1 EP16719439.8A EP16719439A EP3265261A1 EP 3265261 A1 EP3265261 A1 EP 3265261A1 EP 16719439 A EP16719439 A EP 16719439A EP 3265261 A1 EP3265261 A1 EP 3265261A1
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melting temperature
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Definitions

  • the solder solution of a metal alloy used to assemble the silicon carbide chip on an electronic circuit must have a melting temperature very much higher than the nominal operating temperature. This difference in temperature makes it possible to obtain optimum operating reliability. However, by increasing too much this melting temperature, there is a very high risk of damaging the rest of the electronic circuit.
  • the invention aims in particular to overcome the disadvantages mentioned above.
  • the invention aims to provide a brazing process for assembling two elements that will be implemented in a high temperature environment.
  • the brazing process for assembling two elements has an easy implementation, inexpensive and a reduced implementation time.
  • the invention relates to a brazing process for assembling two elements, said method comprising the steps of:
  • the resulting joint is thus composed of a compound (or precipitate) intermetallic, very stable and very high melting temperature.
  • An advantage of this technology is to allow brazing at a relatively reasonable temperature while the created seal is efficient up to the melting temperature of the intermetallic compound which is greater than the nominal operating temperature of the two elements and greater than the temperature. melting each of the selected brazing materials taken alone. This operating temperature in the aeronautical field may be of the order of 300 ° C.
  • an addition of the present invention is to propose a mixture of two alloys in the liquid-liquid state, contrary to the solutions known assembly of liquid-metal combining component and thus playing on the atomic diffusion of the liquid in the metal.
  • the mixture is instantaneous. This solution is innovative in that it allows to shorten the implementation time.
  • brazing process according to the invention may have one or more additional characteristics below, considered individually or in any technically feasible combination:
  • solder material selected is an alloy or a pure metal
  • One of the two solder materials selected is an Au80Sn20 type alloy and the other of the two solder materials selected is pure tin;
  • Each selected brazing material is in the form of:
  • the high viscosity organic material acts as a deoxidizing agent
  • the powder mixed with a high viscosity organic material is positioned between the two elements by means of a syringe;
  • One of the two elements is formed by a substrate and the other of the two elements is formed by an electronic component;
  • the difference between each of the two melting temperatures of the two brazing materials selected and the melting temperature of the intermetallic compound is greater than 100 ° C.
  • One aspect of the invention also relates to a device comprising two elements integral with each other, said two elements being secured to each other via an intermetallic compound obtained via the melting of two brazing materials, said intermetallic compound having a temperature of melting higher than the melting temperature of each of the two brazing materials.
  • FIG. 1 illustrates a block diagram of the steps of the method according to the invention
  • FIG. 2 illustrates a tin and gold binary phase change diagram
  • FIG. 3 schematically illustrates an embodiment of a device according to the invention.
  • FIG. 1 illustrates the steps of the brazing process 100 for assembling two elements in accordance with the invention.
  • the two elements are formed by a first element of the substrate type and a second element of the electronic component type, such as an electronic chip.
  • the brazing process 100 comprises a step 101 for selecting two brazing materials capable of generating, when heated and fused, an intermetallic compound having a melting point higher than the melting temperature of each of the selected materials taken alone.
  • each solder material selected is an alloy or a pure metal.
  • a first pure metal brazing material for example pure tin whose melting point is 232 ° C.
  • a second alloy brazing material for example Au80Sn20 alloy whose melting temperature is 278 ° C. After heating and fusing the pure tin and the Au80Sn20 alloy, the compound intermetallic obtained will be an AuSn type alloy whose melting temperature is 419 ° C.
  • Figure 2 illustrates a tin-gold binary phase change diagram.
  • an intermetallic compound whose temperature is required melting point is well above 300 ° C.
  • the intermetallic compound formed by the AuSn alloy whose melting point is 419.3 ° C it is advantageous to select the intermetallic compound formed by the AuSn alloy whose melting point is 419.3 ° C.
  • the intermetallic compound is formed of an alloy having 62.5% by weight of gold and 37.5% by weight of tin.
  • the brazing process 100 further comprises a positioning step 102 of the two brazing materials selected between the two elements.
  • Each of the two brazing materials mentioned above can be in the form of:
  • preform also called strapping
  • powder homogeneously mixed with a high viscosity organic material commonly called "solder cream"
  • the high viscosity organic material acting as a deoxidizing agent.
  • solder materials when one or both solder materials are in the form of powder mixed with a high viscosity organic material, it can be positioned between the two elements by means of a syringe.
  • the brazing process 100 also comprises a step 103 of heating and fusing the selected brazing materials to substantially achieve the melting temperature of each of the selected brazing materials so as to obtain the precipitation of an intermetallic compound having a melting temperature. greater than the melting temperature of each of the selected materials taken alone.
  • the substrate and the electronic chip may be positioned in an environment whose nominal operating temperature exceeds 309 ° C without risk of being separated from one another.
  • the present invention consists of a brazing solution for assembling two elements, by melting two metals or alloys of metals, at a temperature allowing the precipitation of a single intermetallic compound, having a point melting point higher than the melting temperatures of the two metals or alloys of starting metals.
  • the process 100 according to the invention makes it possible to obtain a brazing joint composed of 100% of a intermetallic compound that is very stable over time, unlike the complex metallographic associations that are generally found in alloys of solders.
  • the invention also relates to a device 1 according to the invention comprising two elements 2 and 3 integral with one another. FIG. 3 illustrates such a device 1.
  • a first element is formed by an electronic chip 2 and a second element is formed by a substrate 3, the electronic chip 2 the substrate 3 being joined together via an intermetallic compound 4 obtained via the fusion of two solder materials.
  • the intermetallic compound 4 has a melting point higher than the melting temperature of each of the two fused solder materials.

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Abstract

L'invention se rapporte notamment à un procédé (100) de brasage pour assembler deux éléments comportant les étapes suivantes: sélectionner (101) deux matériaux de brasage aptes à générer, lorsqu'ils sont chauffés et fusionnés, un composé intermétallique ayant une température de fusion supérieure à la température de fusion de chacun des matériaux de brasage sélectionnés pris isolément, positionner (102) les deux matériaux de brasage sélectionnés entre les deux éléments, chauffer et fusionner (103) les deux matériaux de brasage sélectionnés pour atteindre sensiblement la température de fusion de chacun des matériaux de brasage sélectionnés de sorte à obtenir la précipitation d'un composé intermétallique ayant une température de fusion supérieure à la température de fusion de chacun des matériaux de brasage sélectionnés pris isolément. L'invention définit aussi un dispositif comprenant deux éléments assemblés par ce procédé.

Description

espérée est de 300 °C, la solution de brasage par fusion d'un alliage métallique utilisée pour assembler la puce en carbure de silicium sur un circuit électronique doit présenter une température de fusion très nettement supérieure à la température de fonctionnement nominale. Cet écart de température permet d'obtenir une fiabilité de fonctionnement optimale. Néanmoins, en augmentant trop fortement cette température de fusion, il y a un risque très important d'endommager le reste du circuit électronique.
Il est connu d'utiliser un procédé de brasure par diffusion. Dans ce cas, deux alliages différents sont utilisés, l'un à basse température de fusion, l'autre à plus haute température de fusion. L'idée est alors de faire fondre l'alliage à basse température de fusion et d'attendre à cet état fondu que l'alliage à plus haute température de fusion diffuse peu à peu à travers le liquide pour « précipiter un composé intermétallique » à très haute température de fusion. Le principal problème de cette solution est sa durée de mise en œuvre qui la rend coûteuse. Une autre source de difficulté provient de la complexité de gestion des précipitations de composées intermétalliques. Il est en effet difficile de s'assurer de l'homogénéité du joint formé. Ce dernier est donc particulièrement fragilisé par cette hétérogénéité.
Il est également connu d'utiliser un procédé de brasure par frittage de poudres métalliques. Dans ce cas, de la poudre de métal (en général de l'argent) est intercalée entre le composant et le substrat sur lequel elle doit être solidarisée. Cette poudre de métal est ensuite agglomérée sous l'effet d'une pression de quelques dizaines de MPa et sous une température d'environ 300 ° C. Il convient cependant de noter que les solutions de frittage connues utilisent de la poudre d'argent. Or ce métal présente une forte tendance à l'électro migration. Ces électro-migrations entraînent des contacts électriques entre des points à potentiel différent et donc des casses des composants. En outre, ces solutions présentent un fort risque d'endommagement des puces due à la mise en œuvre sous pression (de 5 à 40MPa). DESCRIPTION GENERALE DE L'INVENTION
L'invention a donc notamment pour but de remédier aux inconvénients évoqués précédemment. Dans ce contexte, l'invention vise à proposer un procédé de brasage pour assembler deux éléments qui seront mis en œuvre dans un environnement haute température. En outre, le procédé de brasage pour assembler deux éléments présente une mise en œuvre aisée, peu coûteuse et un temps de mise en œuvre réduit.
A cette fin, l'invention porte sur un procédé de brasage pour assembler deux éléments, ledit procédé comportant les étapes de :
- Sélectionner deux matériaux de brasage aptes à générer, lorsqu'ils sont chauffés et fusionnés, un composé intermétallique ayant une température de fusion supérieure à la température de fusion de chacun des matériaux de brasage sélectionnés pris isolément,
- Positionner les deux matériaux de brasage sélectionnés entre les deux éléments,
- Chauffer et fusionner les deux matériaux de brasage sélectionnés pour atteindre sensiblement la température de fusion de chacun des matériaux de brasage sélectionnés de sorte à obtenir la précipitation d'un composé intermétallique ayant une température de fusion supérieure à la température de fusion de chacun des matériaux de brasage sélectionnés pris isolément.
En d'autres termes, le joint d'assemblage obtenu est ainsi composé d'un composé (ou précipité) intermétallique, très stable et à très haute température de fusion. Un avantage de cette technologie est d'autoriser un brasage à une température relativement raisonnable tandis que le joint créé est efficient jusqu'à la température de fusion du composé intermétallique qui est supérieure à la température de fonctionnement nominale des deux éléments et supérieure à la température de fusion de chacun des matériaux de brasage sélectionnés pris isolément. Cette température de fonctionnement dans le domaine aéronautique peut être de l'ordre de 300 °C.
En outre, un apport de la présente invention est de proposer un mélange de deux alliages à l'état liquide-liquide, au contraire des solutions connues d'assemblage de composant associant liquide-métal et jouant ainsi sur la diffusion atomique du liquide dans le métal. Dans le cas de l'invention, le mélange est instantané. Cette solution est donc innovante en ce qu'elle permet de raccourcir les temps de mise en œuvre.
Outre les caractéristiques principales qui viennent d'être mentionnées, le procédé de brasage selon l'invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques supplémentaires ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement réalisables :
- Chaque matériau de brasage sélectionné est un alliage ou un métal pur ;
- L'un des deux matériaux de brasage sélectionnés est un alliage de type Au80Sn20 et l'autre des deux matériaux de brasage sélectionnés est de l'étain pur ;
- Chaque matériau de brasage sélectionné se présente sous la forme de :
- Feuillard, ou
- poudre mélangée à un matériau organique à forte viscosité.
- Le matériau organique à forte viscosité joue le rôle d'agent désoxydant ;
- La poudre mélangée à un matériau organique à forte viscosité est positionnée entre les deux éléments au moyen d'une seringue ;
- Un des deux éléments est formé par un substrat et l'autre des deux éléments est formé par un composant électronique ;
- L'écart entre chacune des deux températures de fusion des deux matériaux de brasage sélectionnés et la température de fusion du composé intermétallique est supérieur à 100 °C.
Un aspect de l'invention concerne également un dispositif comportant deux éléments solidaires l'un de l'autre, lesdits deux éléments étant solidarisés entre eux via un composé intermétallique obtenu via la fusion de deux matériaux de brasage, ledit composé intermétallique ayant une température de fusion supérieure à la température de fusion de chacun des deux matériaux de brasage. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est donnée ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées ci-jointes parmi lesquelles :
- la figure 1 illustre un synoptique des étapes du procédé conforme à l'invention ;
- la figure 2 illustre un diagramme de changement de phase binaire étain et or ;
- la figure 3 illustre de façon schématique un exemple de réalisation d'un dispositif conforme à l'invention.
Pour des raisons de clarté, seuls les éléments utiles pour la compréhension de l'invention ont été représentés et ceci, sans respect de l'échelle et de manière schématique. En outre, les éléments similaires situés sur différentes figures comportent des références identiques.
La figure 1 illustre les étapes du procédé 100 de brasage pour assembler deux éléments conforme à l'invention. De façon non limitative, les deux éléments sont formés par un premier élément de type substrat et un deuxième élément de type composant électronique, tel qu'une puce électronique.
Le procédé 100 de brasage comporte une étape 101 de sélection de deux matériaux de brasage aptes à générer, lorsqu'ils sont chauffés et fusionnés, un composé intermétallique ayant une température de fusion supérieure à la température de fusion de chacun des matériaux sélectionnés pris isolément.
Il convient de noter que chaque matériau de brasage sélectionné est un alliage ou un métal pur. A titre d'exemple non limitatif, il est possible de sélectionner un premier matériau de brasage de type métal pur, par exemple de l'étain pur dont la température de fusion est de 232 °C. En outre, il est possible de sélectionner un deuxième matériau de brasage de type alliage, par exemple l'alliage Au80Sn20 dont la température de fusion est de 278 ° C. Après avoir chauffé et fusionné l'étain pur et l'alliage Au80Sn20, le composé intermétallique obtenu sera un alliage de type AuSn dont la température de fusion est de 419° C.
Par exemple, la figure 2 illustre un diagramme de changement de phase binaire étain - or. A titre d'exemple, si les deux éléments solidarisés via le composé intermétallique doivent être mis en œuvre dans un environnement de fonctionnement, tel qu'un moteur d'avion, avoisinant les 300° C, alors il faut un composé intermétallique dont la température de fusion est nettement supérieure à 300 °C. Au regard du diagramme de changement de phase binaire étain - or illustré sur la figure 2, il est avantageux de sélectionner le composé intermétallique formé par l'alliage AuSn dont la température de fusion est de 419,3° C. En choisissant le composé irtermétallique AuSn dont la température de fusion est de 419,3° C, le composéintermétallique est formé d'un alliage présentant 62,5% en masse d'or et 37,5% en masse d'étain. Ainsi, de façon non limitative, pour obtenir le composé intermétallique formé d'un alliage présentant 62,5% en masse d'or et 37,5% en masse étain, il est possible d'utiliser :
- Un premier matériau de brasage formé par l'alliage Au80Sn20 dont la température de fusion est de 278 ° C et la masse représente 72% en masse du composé intermétallique, cet alliage Au80Sn20 comporte 20% en masse d'étain + 80% en masse d'or, et
- Un deuxième matériau de brasage formé par de l'étain pur présentant une température de fusion de 232 ° C et dont masse eprésente 28% du composé intermétallique.
Le fait de chauffer et fusionner cette association permet d'obtenir un alliage de 62,5% en masse d'or + 37,5% en masse d'étain, soit la proportion précise du composé intermétallique AuSn.
Le procédé 100 de brasage comporte en outre une étape de positionnement 102 des deux matériaux de brasage sélectionnés entre les deux éléments.
Chacun des deux matériaux de brasage cités précédemment peut se présenter sous forme de:
• préforme (également dénommé feuillard), ou • poudre mélangée de façon homogène à un matériau organique à forte viscosité (couramment appelé « crème à braser »), le matériau organique à forte viscosité jouant le rôle d'agent désoxydant.
Par exemple, lorsque l'un ou les deux matériaux de brasage est (sont) présenté(s) sous la forme de poudre mélangée à un matériau organique à forte viscosité, il peut être positionné entre les deux éléments au moyen d'une seringue.
Le procédé 100 de brasage comporte également une étape 103 consistant à chauffer et fusionner les matériaux de brasage sélectionnés pour atteindre sensiblement la température de fusion de chacun des matériaux de brasage sélectionnés de sorte à obtenir la précipitation d'un composé intermétallique ayant une température de fusion supérieure à la température de fusion de chacun des matériaux sélectionnés pris isolément.
Selon l'exemple décrit, il est donc possible en chauffant autour de 309 °C d'atteindre la température de fusion des deux matériaux de brasage sélectionnés de manière à les fusionner (autrement dit les mélanger) afin de créer un composé intermétallique pur ayant une température de fusion de 419°C. Ainsi, la température du procédé de brasage n'a pas dépassé les 309 °C ce qui permet de préserver l'ensemble des composants électroniques situés sur le substrat. Pour autant, le substrat et la puce électronique pourront être positionnés dans un environnement dont la température de fonctionnement nominale dépasse les 309 °C sans pour autant risquer d'être désolidarisé l'un de l'autre.
En d'autres termes, la présente invention consiste en une solution de brasage permettant d'assembler deux éléments, grâce à la fusion de deux métaux ou alliages de métaux, à une température permettant la précipitation d'un seul composé intermétallique, ayant un point de fusion supérieur aux températures de fusion des deux métaux ou alliages de métaux de départ. En d'autres termes, le procédé 100 selon l'invention permet d'obtenir un joint de brasage composé à 100% d'un composé intermétallique très stable dans le temps contrairement aux associations métallographiques complexes que l'on trouve généralement dans les alliages de brasures. L'invention porte également sur un dispositif 1 conforme à l'invention comportant deux éléments 2 et 3 solidaires l'un de l'autre. La figure 3 illustre un tel dispositif 1 .
Un premier élément est formé par une puce électronique 2 et un deuxième élément est formé par un substrat 3, la puce électronique 2 le substrat 3 étant solidarisés entre eux via un composé intermétallique 4 obtenu via la fusion de deux matériaux de brasage. Le composé intermétallique 4 présente une température de fusion supérieure à la température de fusion de chacun des deux matériaux de brasage fusionnés.

Claims

REVENDICATIONS
Procédé (100) de brasage pour assembler deux éléments (2, 3), ledit procédé (100) comportant les étapes de :
- sélectionner (101 ) deux matériaux de brasage aptes à générer, lorsqu'ils sont chauffés et fusionnés, un composé intermétallique (4) ayant une température de fusion supérieure à la température de fusion de chacun des matériaux sélectionnés pris isolément,
- Positionner (102) les deux matériaux de brasage sélectionnés entre les deux éléments (2, 3),
- Chauffer et fusionner (103) les deux matériaux de brasage sélectionnés pour atteindre sensiblement la température de fusion de chacun des matériaux de brasage sélectionnés de sorte à obtenir la précipitation d'un composé intermétallique (4) ayant une température de fusion supérieure à la température de fusion de chacun des matériaux de brasage sélectionnés pris isolément.
Procédé (100) de brasage selon la revendication 1 précédente selon lequel chacun des matériaux de brasage sélectionnés est un alliage ou un métal pur.
Procédé (100) de brasage selon l'une des revendications 1 ou 2 selon lequel l'un des deux matériaux de brasage sélectionnés est un alliage de type Au80Sn20 et l'autre des deux matériaux de brasage sélectionnés est de l'étain pur.
Procédé (100) de brasage selon l'une quelconque des revendications précédentes selon lequel chacun des matériaux de brasage sélectionnés se présente sous la forme de :
- Feuillard, ou
- poudre mélangée à un matériau organique à forte viscosité. Procédé (100) de brasage selon la revendication précédente selon lequel le matériau organique à forte viscosité joue le rôle d'agent désoxydant.
Procédé (100) de brasage selon l'une des revendications 4 ou 5 précédentes selon lequel la poudre mélangée à un matériau organique à forte viscosité est positionnée entre les deux éléments (2, 3) au moyen d'une seringue.
Procédé (100) de brasage selon l'une quelconque des revendications précédentes selon lequel un des deux éléments (2, 3) est formé par un substrat (3) et l'autre des deux éléments est formé par un composant électronique (2).
Procédé (100) de brasage selon l'une quelconque des revendications précédentes selon lequel l'écart entre chacune des deux températures de fusion des deux matériaux de brasage sélectionnés et la température de fusion du composé intermétallique (4) est supérieur à 100 degrés.
Dispositif (1 ) comportant deux éléments (2, 3) solidaires l'un de l'autre, lesdits deux éléments (2, 3) étant solidarisés entre eux via un composé intermétallique (4) obtenu via la fusion de deux matériaux de brasage, ledit composé intermétallique (4) ayant une température de fusion supérieure à la température de fusion de chacun des deux matériaux de brasage.
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